NL1023072C2 - Werkwijze en systeem voor het opwekken van een plasma. - Google Patents

Description

I Titel: Werkwijze en systeem voor het opwekken van een plasma I Gebied van de uitvinding I De uitvinding betreft een werkwijze resp. systeem voor het I genereren van plasma ten behoeve van bijvoorbeeld het bewerken van I materialen. Onder plasma wordt hier verstaan: I 5 "An electrically neutral, highly ionized gas composed of ions, I electrons, and neutral particles. It is a phase of matter distinct from solids, I liquids, and normal gases".

Achtergrond van de uitvinding I 10 Het genereren van plasma onder atmosferische (lucht)druk I (“atmosferisch plasma”) is momenteel een hot topic vanwege de potentiële I mogelijkheden. Plasmatechniek kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor het “coaten” van een basismateriaal (“plasmadepositie”) of het wijzigen of anderszins behandelen van de microstructuur en/of compositie van het I 15 basismateriaal (“etsen”). Plasmabehandeling en plasmadepositie vindt vaak I plaats onder lage druk. Indien plasmabehandeling kan plaatsvinden onder I atmosferische druk, is dit zeer veel makkelijker en goedkoper wegens de I afwezigheid van vacuümsystemen. Echter een stabiel plasma is niet makkelijk te verkrijgen bij atmosferische druk; verscheidene I 20 onderzoeksgroepen over de hele wereld doen onderzoek naar verbetering ervan.

Plasma kan worden opgewekt tussen door een gas- of dampvormig diëlectricum gescheiden elektroden waarop een gelijk- of (bijvoorbeeld radio- of hoogfrequent) wisselspanningbron is aangesloten. Om doorslag van het 25 gasvormige diëlectricum tussen de elektroden tegen te gaan kunnen een of meer elektroden voorzien worden van een bekleding of beschermlaag van een vast (niet-gasvormig) materiaal met een relatieve hoge doorslagspanning. Door die bekleding van vast isolatiemateriaal zal na het aanleggen van een geschikte elektrische spanning over de elektroden een plasma tussen de elektroden ontstaan zonder dat doorslag van het gas tussen de elektroden plaatsvindt.

Een probleem echter dat in de praktijk optreedt is dat het vaste 5 diëlectricum waarmee de elektroden bekleed is, in de loop van de tijd veroudert en/of vervuilt door ondermeer het gegenereerde plasma en de daarin aanwezige stoffen. Als gevolg van die degradatie en/of vervuiling H van het bekledingsmateriaal zal op zeker moment toch weer doorslag van H het gasvormige diëlectricum tussen de elektroden plaatsvinden, bijvoorbeeld 10 ingeleid door doorslag van het gedegradeerde vaste diëlectricum of door overslag langs het vervuilde oppervlak van dat vaste diëlectricum.

Samenvatting van de uitvinding H De uitvinding berust op het inzicht dat de effecten van vervuiling 15 en/of veroudering van de elektrode-beschermlaag met succes tegengegaan kunnen worden door die beschermlaag regelmatig te “verversen” door middel van verplaatsing van die beschermlaag, zodanig dat de H beschermlaag nooit zo lang aan de invloeden van het plasma en/of het elektrische veld tussen de elektroden en/of het gas- of dampvormige 20 diëlectricum worden blootgesteld dat een desastreuze vervuiling en/of degradatie van de beschermlaag het gevolg is.

I Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van een beschermfolie met goede diëlectrische eigenschappen die wórdt voortbewogen over of langs de betreffende elektrode, door het gebied waarin het plasma wordt opgewekt.

25 De beschermlaag kan continue dan wel niet-continue worden verplaatst.

Waar het plasma wordt gebruikt om een fohevormig basismateriaal te behandelen (coaten, etsen, etc.) kan die folie zelf gelijktijdig worden gebruikt als (beweegbare) elektrode-afscherming. In I 3 I andere gevallen kan een aparte (goedkope) afschermfolie worden gebruikt I van bijvoorbeeld polyethyleen of polypropyleen I De beweegbare folie kan dienen voor bescherming van de vaste I elektrode-beschermlaag (bekleding) maar ook desgewenst die beschermlaag I 5 geheel of gedeeltelijk vervangen. In dat geval moeten wel, afhankelijk van I de configuratie, zekere vereisten aan de diëlectrische eigenschappen van de I beweegbare laag worden gesteld ten aanzien van laagdikte en diëlectrische I materiaaleigenschappen, in het bijzonder de doorslagspanning.

I Systemen waarin - in overeenstemming met de methode volgens I 10 de uitvinding - een beschermlaag over of langs de betreffende elektrode I wordt voortbewogen kunnen op verschillende wijze worden I geïmplementeerd, wat in de volgende paragrafen verder wordt behandeld.

Figuren I 15 De figuren 1 t/m 6 tonen verschillende uitvoeringsvoorbeelden van I een systeem volgens de uitvinding.

I Beschrijving van de figuren I Figuur 1 toont elektroden 1 en 2 waarop een niet getoonde 20 spanningsbron kan worden aangesloten, waardoor tussen de elektroden 1 en 2 een elektrisch veld ontstaat. Beide elektroden 1 en 2 zijn -in ieder geval aan de naar elkaar toe gekeerde zijden- voorziet van een beschermlaag 3 resp. 4 van goed diëlectrisch materiaal, bijvoorbeeld polyethyleen, polypropyleen, polyethyleenterephthalaat of polyimide. Elke 25 elektrodeconfïguratie omvat dus een elektrode 1 resp. 2 en een vaste diëlectrisch hoogwaardige beschermlaag 3 resp. 4. Waar hierna over "elektrode" wordt gesproken, kan "elektrodeconfïguratie" bedoeld worden, omvattende de eigenlijke elektrode en de vaste elektrode-beschermlaag.

Overigens is het, om vonkoverslag tussen de elektroden 1 en 2 te H 30 voorkomen, op zich voldoende om slechts één van die elektroden te bekleden I met een isolerende bescherming, mits die isolatielaag voldoende doorslagbestendig is.

Over het oppervlak van de vaste beschermlaag 4 van elektrode 2 wordt een beweegbare beschermlaag -bijvoorbeeld in de vorm van een 5 beschermfolie 5- gevoerd, die wordt voortbewogen via een stel geleiders 6 en 7, aangedreven door een aandrijving 6a. In het gebied tussen de elektroden 1 en 2 ontstaat - als gevolg van ionisatie van het gas (bijvoorbeeld lucht) of damp (hierna eenvoudigheidshalve aangeduid met “gas”) tussen de elektroden - een plasma. Doorslag van het gas wordt voorkomen doordat de 10 beschermlagen 3 en 4 zich bevinden tegen het oppervlak van de elektroden 1 en 2. Daar de doorslagspanning van de beschermlagen 3 en 4 vele malen groter is dan die van het gas, zullen die beschermlagen niet doorslaan en aldus overslag (doorslag van het gasvormige diëlectricum) tussen de elektroden 1 en 2 voorkomen.

15 Vervuiling van het oppervlak van de beschermlagen 3 en 4 kunnen er echter oorzaak van zijn dat bijvoorbeeld door kruipontlading langs het (vervuilde) oppervlak van de beschermlagen 3 en 4 toch na verloop van tijd overslag tussen de elektroden 1 en 2 ontstaat waardoor de plasmageneratie van het systeem stopt en het systeem tevens ernstig beschadigd kan raken. 20 Behalve door vervuiling van het oppervlak van de beschermlagen 3 en 4, kan het materiaal van deze lagen ook chemisch en/of fysisch degraderen, waardoor op zeker moment toch doorslag van de beschermlagen 3 en 4 plaatsvindt, met als gevolg doorslag van het gas.

Teneinde het vervuilings- en degradatieprobleem tegen te gaan, is 25 in figuur 1 elektrode 2 voorzien van de over de beschermlaag 4 van elektrode 2 glijdende beschermfolie 5. Die folie 5 wordt in een continue dan wel in een niet-continue - bijvoorbeeld intermittererende - beweging over de beschermlaag 4 gevoerd, in de richting van de pijl. De snelheid waarmee folie 5 wordt voortbewogen kan desgewenst worden aangepast aan de 30 intensiteit van het plasma, bijvoorbeeld door de de folie aan te drijven met 5 een snelheid die een functie is van de grootte van de elektrische stroom door de elektroden 1 en 2.

Hoewel het in bepaalde gevallen afdoende kan zijn om de configuratie van figuur 1 te gebruiken, zal in veel gevallen evenwel een 5 voorkeur worden gegeven aan een configuratie die in figuur 2 getoond wordt, In figuur 2 lopen langs beide elektroden 1 en 2, dat wil zeggen over het oppervlak van hun respectievelijke beschermlagen 3 en 4, via stellen

Igeleiderollen 6/7 en 10/11, beweeglijke beschermingsfolies 5 resp. 9. Elk van deze heeft gelijke functie, namelijk het afschermen van de het oppervlak 10 van de elektrode-beschermlagen 3 en 4 tegen de invloeden van met name vuil, het opgewekte plasma en het gas. De folies worden aangedreven door de aandrijvingen 6a en 10a.

Daar het plasma kan worden gebruikt (zie boven) voor behandeling van bijvoorbeeld een folie die -evenals de beschermfolies 5 en 9- door het 15 plasma 8 wordt gevoerd en door dat plasma bijvoorbeeld wordt geëtst of gecoat, kunnen bij die behandeling afvalproducten ontstaan die eveneens de elektrodebeschermlagen 3 en 4 kunnen vervuilen en/of aantasten.

Op gemerkt wordt dat het niet persé noodzakelijk dat de beschermfolie 5 resp. 9 goede diëlectrische eigenschappen heeft, zolang de 20 onderliggende elektrode 1 resp. 2 maar bedekt is met een beschermlaag 3 resp. 4 die wèl goede elektrische diëlectrische eigenschappen (diëlectrische constante, doorslagvastheid, kruipstroomvastheid etc.) heeft,. De resistentie van de beweegbare folie 5 resp. 9 tegen vervuiling, inwerking van het plasma 8 en/of de (hoge) elektrische veldsterkte en/of afvalproducten etc.

25 behoeft ook niet extreem groot te zijn, daar immers de folie 5 resp. 9 - door de voortbeweging ervan - slechts relatief kort aan die invloeden worden blootgesteld.

De folie die ter bewerking (etsen of coaten) door het plasma wordt gevoerd kan daarbij gelijkertijd dienst doen als beschermfolie, in de plaats 30 van de folies 5 en 9. Dat kan worden voorgesteld door in bijvoorbeeld figuur 12 folie 5 een folie te laten zijn die i.c. geëtst of gecoat wordt. Ook folie 9 zou gelijktijdig, op dezelfde wijze kunnen worden bewerkt. De door het plasma 8 bewerkte folie 5 resp. 9 zorgt dan dus gelijktijdig voor bescherming van de diëlectrische beschermlagen 4 resp. 3 of kan die zelfs vervangen, zoals uit de 5 volgende figuren zal blijken.

De folies 5 en 9 kunnen, zoals figuur 3 toont ook de rol van diëlectrische elektrode-beschermlaag overnemen van de in de figuren 1 en 2 getoonde beschermlagen 4 en 3. Begrijpelijkerwijze worden dan zwaardere eisen gesteld aan de diëlectrische eigenschappen en/of de dikte van de folie.

10 De resistentie tegen vervuiling en/of degradatie hoeft echter niet erg groot te . zijn daar immers de folie 5 resp. 9 regelmatig wordt “ververst” door middel van de voortbeweging ervan langs de elektroden 1 en 2.

Figuur 4 toont een uitvoering waarbij de dikte van de folies 5 en 9 ongelijk is. Dit kan gewenst zijn indien bijvoorbeeld een der folies 15 uitsluitend ten doel heeft het voorkomen van initiatie van vonkdoorslag tussen de elektroden -de rol van de vaste beschermlagen 3 en 4 in figuur 2-en de andere folie door het opgewekte plasma (tevens) bewerkt of behandeld (geëtst, gecoat) moet worden. Ook kunnen ongelijke dikten voortspruiten uit verschillende diëlectrische constanten van het foliemateriaal van de folies 5 20 resp. 9 en/of uit het toepassen van een niet-symmetrische spanning over de elektrodeconfiguraties 1 en 2.

Figuur 5 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding waarbij gebruik wordt gemaakt van één doorlopende folie 5, zowel ter bescherming van de ene elektrode 1 als de andere elektrode 2. De 25 folie 5 wordt toegevoerd via geleiderol 11, over elektrode 1 gevoerd en via een geleiderol 12 langs elektrode 2 en de door een aandrijving 7a aangedreven geleiderol 7 afgevoerd. Dit uitvoeringsvoorbeeld lijkt erg geschikt voor het bewerken (bijvoorbeeld etsen) van de via geleiderol 11, “omkeerrol” 12 en geleiderol 7 langs de elektroden 1 en 2 voortbewogen folie 30 5. De folie 5 dient daarbij tevens als beweegbare diëlectrische beschermlaag 7

Ivoor de elektroden 1 en 2. Het proces (e.c. het etsen) vindt in twee stadia plaats, namelijk tijdens het langs elektrode 1 bewegen van de folie en vervolgens - na door geleiderol te zijn gekeerd - tijdens het langs elektrode 2 bewegen. Deze uitvoeringsvorm maakt een dubbele bewerkingssnelheid 5 mogelijk vergeleken met de “enkelvoudig folietransport”-uitvoeringen in de voorgaande figuren.

Opgemerkt wordt dat in het getoonde uitvoeringsvoorbeeld de vorm van de elektroden 1 en 2 dwars op de richting waarin de folie 5 wordt langsgevoerd, enigszins bol is. Dat kan overigens ook in de overige 10 uitvoeringsvoorbeelden het geval zijn. Door deze bolle vorm wordt de folie wat strakker en betrouwbaarder over de contacten 1 en 2 gevoerd. De contacten 1 en 2, die dus bij voorkeur in het vlak van de tekening enigszins gebogen zijn zoals figuur 5 toont, zijn bij voorkeur recht (parallel aan elkaar) in het vlak loodrecht op het vlak van de tekening (zowel in figuur 5 15 als in de overige figuren), zodat het tussen de contacten opgewekte plasma over de hele breedte van de folie 5, dwars op het vlak van de tekening, homogeen is.

Tenslotte toont figuur 6 nog een alternatieve uitvoering, waarin de statische elektroden zijn vervangen door roterende elektroden 13 en 14. Ook 20 in dit geval wordt de folie 5 over/langs de elektroden 1 en 2 gevoerd, tijdens welke passage de folie 5 enerzijds de elektrode “afschermt” en aldus overslag van het gasvormige medium tussen de elektroden tegengaat, en anderzijds door het tussen de elektroden opgewekte plasma bewerkt wordt. Het voordeel van roterende elektroden is dat de folie 5 vrijwel 25 wrijvingsloos de elektroden 13 en 14 passeert, ten gevolge waarvan de folie geen wrijvingsslijtage oploopt. Deze inrichting is dus erg geschikt voor bewerking van zeer kwetsbare folies.

Overigens zijn de uitvoeringen van de figuren 5 en 6 - zoals eenvoudig uit de figuren begrepen kan worden - ook toepasbaar voor 30 elektroden die - oals die in de figuren 1 en 2 - met een vast diëlectricum bekleed zijn. Bekleding van de elektroden kan ook gewenst zijn met het oog op het voorkomen van beschadiging van de te behandelen folie ten gevolge van wrijving langs de -doorgaans metalen- elektroden. Ook kan om die reden gekozen worden voor een vaste beschermingslaag die niet direct een 5 zeer goed diëlectricum vormt, maar met name een zeer lage H wrijvingscoëffïciënt heeft. Een voorbeeld van een materiaal met een zeer H lage wrijvingscoëfficiënt en tevens uitstekende isolatie-eigenschappen is H polytetrafluoroethyleen.

H Tenslotte wordt opgemerkt dat, teneinde te bereiken dat de 10 beweegbare lagen 5 resp. 9 goed aansluiten tegen het oppervlak van de elektroden 1 en 2, resp. van de vaste diëlectrische lagen 3 en 4, dit (extra) kan worden bewerkstelligd door ervoor te zorgen dat de gasdruk in het gebied tussen de elektroden 1 en 2 hoger is dan de omgevingsdruk. In de H figuren 5 en 6 is dit aangeduid door middel van pijlen P, voorstellende dat 15 het gasvormig diëlectricum vanaf de aangeduide zijde wordt ingeblazen via H een blaasmondstuk 15.

I Een alternatief om een hogere druk aan de kant van de pijlen P te verkrijgen is bijvoorbeeld het via -in figuur 5 door afzuigopeningen 16- of in de onmiddellijke nabijheid van de elektroden 1 resp. 2 afzuigen van het gas- I 20 of dampvormige diëlectricum en/of omgevingsmedium (bijvoorbeeld omgevingslucht), in figuur 5 voorgesteld door pijlen p.

Inblazen en afzuigen kunnen ook gelijktijdig worden toegepast. Het gevolg is dat het beweegbare vaste diëlectricum, de folie 5 tegen zowel elektrode 1 als elektrode 2 wordt gedrukt resp. getrokken waardoor I 25 voorkomen wordt dat er een dunne gaslaag kan ontstaan tussen de I beweegbare folie en de betreffende elektrode, in welke gaslaag onder invloed I van de aangelegde elektrische spanning, ongewenst, eveneens plasma zou I kunnen ontstaan.

Claims (24)

1. Werkwijze voor het genereren van een plasma (8) tussen op een I spanningsbron aangesloten, door een gas- of dampvormig medium van I elkaar gescheiden elektrodeconfiguraties (1,2,13,14), waarbij bij tenminste I één der elektrodeconfiguraties een laag vast materiaal (5,9) aan die I 5 elektrodeconfiguratie wordt langsgevoerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de aan de I elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) goede diëlectrische I eigenschappen heeft.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de aan de I 10 elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) een continue beweging wordt I gegeven.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de aan de I elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) een niet-continue beweging I wordt gegeven. I 15

5. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de aan de I elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) een intermitterende B beweging wordt gegeven.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de aan de B elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) een beweging wordt gegeven 20 die een functie is van de intensiteit van het opgewekte plasma (8).

7. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de aan de elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) een beweging wordt gegeven die een functie is van de elektrische stroomsterkte door het plasma (8).

8. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de aan de 25 elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5) tevens aan tenminste één der andere elektrodeconfiguraties wordt langsgevoerd. Η

9. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij tenminste één der elektrodeconfiguraties een elektrode (1) en een ten opzichte van die elektrode niet-beweegbare materiaallaag (3) omvat met goede diëlectrische eigenschappen.

10. Inrichting voor het genereren van een plasma (8), omvattende op een spanningsbron aansluitbare, door een gas- of dampvormig medium van elkaar gescheiden elektrodeconfiguraties (1,2), alsmede middelen (6a,10a,7a) voor het bij tenminste één der elektrodeconfiguraties aan die H elektrodeconfiguratie langsvoeren van een laag vast materiaal (5,9).

11. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de aan de elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) goede diëlectrische eigenschappen heeft.

12. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de middelen geschikt zijn om de aan de elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) in een continue 15 beweging aan de elektrodeconfiguratie langs te voeren.

13. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de middelen geschikt zijn om de aan de elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) in een niet- continue beweging aan de elektrodeconfiguratie langs te voeren.

14. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de middelen geschikt zijn 20 om de aan de elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) in een intermitterende beweging aan de elektrodeconfiguratie langs te voeren.

15. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de middelen geschikt zijn om de aan de elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) in een beweging I aan de elektrodeconfiguratie langs te voeren die een functie is van de I 25 intensiteit van het opgewekte plasma (8).

16. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de middelen geschikt zijn om de aan de elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5,9) in een beweging I aan de elektrodeconfiguratie langs te voeren die een functie is van de I elektrische stroomsterkte door het plasma (8) intensiteit van het opgewekte I 30 plasma. I 11

17. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de middelen geschikt zijn I om aan de elektrodeconfiguratie langsgevoerde laag (5) tevens aan I tenminste één der andere elektrodeconfiguraties langs te voeren.

18. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij tenminste één der I 5 elektrodeconfiguraties een elektrode (1) en een ten opzichte van die I elektrode niet-beweegbare materiaallaag (3) omvat met goede diëlectrische I eigenschappen.

19. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de elektrodeconfiguraties I stationaire elektroden omvatten. I 10

20. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de elektrodeconfiguraties I roteerbare elektroden omvatten.

21. Inrichting volgens conclusie 10, omvattende middelen (15,16) voor het bewerkstelligen dat de druk van het gas- of dampvormige medium tussen de elektrodeconfiguraties zodanig is dat de langs de betreffende I 15 elektrodeconfiguratie gevoerde laag (5,9) tegen die elektrodeconfiguratie gedrukt wordt.

22. Inrichting volgens conclusie 21, omvattende middelen (15,16) voor I het bewerkstelligen dat de druk van het gas- of dampvormige medium tussen de elektrodeconfiguraties hoger is dan de omgevingsdruk.

23. Inrichting volgens conclusie 22, omvattende middelen (15) voor het inblazen van het gas- of dampvormige medium tussen de elektrodeconfiguraties.

24. Inrichting volgens conclusie 21, 22 of 23, omvattende middelen (16) voor afzuiging van het gas- of dampvormige medium en/of 25 omgevingsmedium aan de naar de betreffende elektrodeconfiguratie (1,2) toegekeerde zijde van de daaraan langsgevoerde laag (5,9).